本文開始介紹高級時鐘模塊電氣特性，主要是美國IQD頻率元器件制造商的高級時鐘模塊產(chǎn)品系列，這些模塊為分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供電氣定時功能。這些單元主要圍繞GPS接收機(jī)產(chǎn)生的1PPS（每秒脈沖）定時同步信號旋轉(zhuǎn)，該信號是從GPS衛(wèi)星系統(tǒng)接收到的已發(fā)送定時信息中得出的。

時鐘模塊摘要信息
IQCM-100
該主模塊旨在提供1PPS和10MHz輸出信號，并在24小時內(nèi)保持±1.5μs的保持穩(wěn)定性，以滿足LTE-TDD等應(yīng)用的電信標(biāo)準(zhǔn)要求。 IQCM-100需要從GPS接收器獲得單獨(dú)的客戶提供的1PPS信號。
IQCM-110
IQCM-110模塊具有與IQCM-100類似的功能，但它具有內(nèi)置的GPS接收器單元。但是，客戶必須提供連接到設(shè)備上SMA連接器的合適天線。建議使用有源天線。
IQCM-200
該模塊還具有與IQCM-100器件類似的功能，但可提供寬松的保持規(guī)范，以延長時間或減小溫度變化極限，以解決在24小時內(nèi)±1.5μs并不重要的應(yīng)用。
IQCM-300
該模塊提供基于IEEE1588的PTP（精確時間協(xié)議）功能。
PTP或IEEE1588是用于在網(wǎng)絡(luò)上不同位置之間發(fā)送準(zhǔn)確的定時同步的協(xié)議。 IQCM-300能夠充當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的“主時鐘”或“從屬時鐘”，并因此能夠?qū)⑼较鬟f到系統(tǒng)中的其他時鐘。該模塊提供與IQCM-100相同的保持功能，但具有可以通過PTP 1588網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的附加功能。 IQCM-300需要單獨(dú)的客戶提供的GPS接收器。
典型應(yīng)用包括：
3G / 4G LTE基站
時鐘服務(wù)器
時鐘源
IP回傳
PTP服務(wù)器
雷達(dá)
智能電網(wǎng)
測試與量測
應(yīng)用注意事項(xiàng)
這些模塊的主要目的是維持GPS系統(tǒng)的1PPS（每秒脈沖）信號，并在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用于同步定時。如果您的系統(tǒng)依靠GPS信號來保持準(zhǔn)確性，并且GPS信號由于失鎖，惡劣的天氣，干擾或其他問題而失敗，則這些時鐘模塊能夠保持1PPS信號直到恢復(fù)GPS鎖定為止，從而使網(wǎng)絡(luò)成為可能系統(tǒng)保持在規(guī)格范圍內(nèi)。
我需要什么規(guī)格模塊？
為了確定哪個模塊適合您的特定應(yīng)用，需要考慮各種參數(shù)，例如：
a /我的系統(tǒng)需要什么保留規(guī)范？
b /我將在什么時間段內(nèi)沒有GPS信號？
c /遇到GPS信號丟失時，模塊會看到什么環(huán)境條件？
為什么在24小時內(nèi)達(dá)到1.5μs？
為了完全滿足某些特定電信協(xié)議（例如LTE）的要求，您的產(chǎn)品必須證明，如果GPS信號丟失，它可以在24小時內(nèi)將精度保持在±1.5μs之內(nèi)。
但是，某些系統(tǒng)可能不需要這種保持水平，因此，如果可以放寬此值，則可以降低單位成本。請記住，如果不需要此參數(shù)，請不要過度指定。
保持模式下的環(huán)境變化
這些時鐘模塊結(jié)合使用OCXO和軟件算法來在無GPS信號期間保持其1PPS精度，因此了解GPS丟失期間模塊將看到的溫度變化非常重要。
如果您的設(shè)備將在空調(diào)房間中使用，則溫度變化可能很小，可能為±2°C。但是，如果模塊位于例如天線的底部，則在此無GPS期間，它可能會經(jīng)歷更寬的溫度變化。
重要的是要了解保持溫度規(guī)格與工作溫度范圍不同。工作溫度范圍可以是0到70°C，但是在沒有GPS信號的情況下，溫度的保持變化可能僅為±2°C，以在24小時限制內(nèi)達(dá)到所需的1.5μs。這意味著該模塊可以在其工作范圍內(nèi)的任何特定溫度下工作，但是當(dāng)GPS信號丟失時，該模塊必須保持在其較小的保持溫度范圍內(nèi)，例如±2°C，以保持在1.5μs內(nèi)24小時
由于需要補(bǔ)償保持溫度，因此GPS丟失時溫度變化越大，則補(bǔ)償越難，因此會影響單位成本。
GPS信號丟失期間的保持時間
對于GPS信號在整個24小時內(nèi)都不會丟失的應(yīng)用，例如8小時，則無需指定時鐘模塊及其完整保持時間。規(guī)格上的這種放松會影響單位成本，因此請記住，如果不需要此參數(shù)，請不要過度指定。

問題和答案
時鐘模塊IQCM-110的天線有什么要求？
為了獲得最佳性能，請選擇海上圓頂型天線。天線與時鐘模塊之間的連接電纜應(yīng)小于10m。如下圖所示，天線應(yīng)放置在空曠的地方，以幫助時鐘模塊找到衛(wèi)星信號，否則可能會影響時鐘模塊的性能甚至正常工作狀態(tài)。

2.如果時鐘模塊想要保持1.5μs/ 24h的保持時間，嵌入式振蕩器的規(guī)格是什么？
計(jì)算：-24小時x 60分鐘x 60秒= 86400秒
24小時漂移必須小于24小時內(nèi)的保持時間/秒，即1.5E-6 / 86400 = 1.74E-11。
影響OCXO 24小時漂移的主要因素有兩個：
1. OCXO溫度穩(wěn)定性
2.每天OCXO老化
為了達(dá)到1.74E-11的穩(wěn)定性，我們選擇了規(guī)格嚴(yán)格的振蕩器，并使用一種算法來補(bǔ)償老化漂移，該漂移通常可使器件優(yōu)化約100倍。

3. 工作溫度范圍變化時； DAC和其他組件的溫度漂移是否會影響整個系統(tǒng)的時鐘精度？

上圖顯示了振蕩器控制模塊的總體設(shè)計(jì)。 OCXO的控制電壓由MCU控制的DAC改變。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，知道工作溫度變化何時會急劇變化，那么我們應(yīng)該考慮DAC和參考電壓的溫度漂移的影響。假定工作溫度范圍為0 + 60°C。
例如，精密16位DAC8571的溫度漂移系數(shù)為FSR /°C（-5ppm）（典型值），因此，對于0至60°C的溫度變化，基準(zhǔn)電壓變化為：60 x 5ppm x 3.0V = 0.9mV
此基準(zhǔn)電壓變化會影響DAC，進(jìn)而改變OCXO的頻率。以精密基準(zhǔn)電壓REF3230為例，REF3230輸出電壓溫度漂移規(guī)格為：0°C至125°C，4至7ppm /°C和- 40°C至125°C，10.5至20ppm /°C以0至60°C的示例溫度變化為例，參考電壓變化為：
60°C x 7ppm x 3.0V（OCXO的拉范圍）= 1.26mV
因此，總漂移變?yōu)椋?.9mV + 1.26mV = 2.16mV
在0?3.0V的控制電壓下，基于±0.4ppm的振蕩器上拉范圍，振蕩器漂移是由
基準(zhǔn)電壓源和DAC的溫度漂移為：
（0.8ppm pk-pk / 3V）x 2.16mV = 5.76E-10ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滿足1.5μS/ 24h保持所需的1.74E-11ppm。
為了解決這些問題，高度穩(wěn)定的振蕩器的溫度控制電路使用其自己的專有技術(shù)來提高控制精度，以確保在溫度變化時保持振蕩器的精度。
通過分析，該設(shè)計(jì)的總漂移僅為9.6E-13，其中包括滿足LTE1.5μS/ 24h保持要求的電壓基準(zhǔn)和DAC漂移。該電路還確保當(dāng)工作溫度快速變化時，產(chǎn)品不會顯示出快速的頻率變化現(xiàn)象（溫度控制不夠）。
4.了解內(nèi)部算法的工作原理
失去與GPS信號的連接后，一些關(guān)鍵因素用于計(jì)算正確的OCXO晶振控制
電壓：
1）GPS即將丟失之前的信號通常不穩(wěn)定，因此需要從GPS中刪除這些參考記錄。
2）如果環(huán)境溫度變化是周期性的，則該裝置應(yīng)至少收集一個周期的數(shù)據(jù)以進(jìn)行建模。如果存在明顯的周期性變化，則該單元將根據(jù)其特定情況進(jìn)行分析。
3）OCXO晶振上電后的前三天，老化曲線相對陡峭，之后趨于平穩(wěn)，因此OCXO晶振上電的時間越長，建模效果越好。對于行為建模，最好使用兩倍的預(yù)計(jì)時間。因此，為了獲得最佳結(jié)果，設(shè)備將使用兩天的數(shù)據(jù)推斷一天的數(shù)據(jù)，否則補(bǔ)償可能會過多，并且準(zhǔn)確性可能會降低。
5.如何測量時鐘模塊的保持時間？
通常有兩種方法可以測量時鐘模塊的保持時間：
1）使用外部標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號進(jìn)行測量。
開機(jī)7天并鎖定標(biāo)準(zhǔn)的1PPS GPS接收信號3天后（原子水平精度），內(nèi)部沒有GPS接收器的時鐘模塊被斷開。然后將時鐘模塊的1PPS輸出信號和外部GPS導(dǎo)出的1PPS信號連接到示波器。然后可以在預(yù)定時間之后觀察并比較兩個信號的值的差異。
2）用內(nèi)部1PPS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。（此方法僅適用于帶有內(nèi)置GPS接收器的IQCM-110時鐘模塊）。
開機(jī)7天和鎖定GPS信號3天后，時鐘模塊被迫保持狀態(tài)，其中時鐘模塊仍提供標(biāo)準(zhǔn)的1PPS輸出信號，但內(nèi)部高穩(wěn)定性振蕩器未遵循標(biāo)準(zhǔn)的1PPS GPS衍生信號調(diào)整時鐘模塊的頻率和相位。然后將標(biāo)準(zhǔn)的1PPS GPS衍生信號和時鐘模塊的1PPS輸出信號（在保持模式下）連接到示波器。然后可以在預(yù)定時間之后觀察并比較兩個信號的值的差異。
6.如果時鐘模塊產(chǎn)生大量熱量，可以冷卻嗎？冷卻會影響精度嗎？可以采取什么方法？
當(dāng)振蕩器運(yùn)行且風(fēng)速小于1.7m / s時風(fēng)扇冷卻不會影響振蕩器時，OCXO晶振烤箱的溫度可以達(dá)到85°C。但是，如果在打開風(fēng)扇時風(fēng)速迅速變化并且風(fēng)速快于1.7m / s，則烤箱的加熱控制將無法正常運(yùn)行。這導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定性并且振蕩器穩(wěn)定性降低。應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)速，在冷卻過程中保持整個環(huán)境溫度穩(wěn)定。

7.時鐘模塊可以響應(yīng)the秒的變化嗎？
時鐘模塊將在GPS接收器具有the秒信息的情況下確保當(dāng)前UTC時間的準(zhǔn)確性。 GPS接收器接收到的時間信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換并經(jīng)過leap秒調(diào)整后轉(zhuǎn)換為UTC時間信息。如果衛(wèi)星信號良好，則可以在12.5分鐘內(nèi)獲得available秒信息，以提供準(zhǔn)確的時間信息。
通常當(dāng)前的leap秒是已知的，因此只要時鐘模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的1PPS時間，它將基于獲取的GPS時間使用時間信息，并且可以在3分鐘內(nèi)可用。會使用其內(nèi)部算法自動更改時間信息，從而保持時間準(zhǔn)確性，并且系統(tǒng)無需人工干預(yù)即可工作。
8.具有內(nèi)置GPS接收器的模塊需要多長時間才能實(shí)現(xiàn)GPS鎖定？
通常，當(dāng)衛(wèi)星信號良好時，獲得1PPS信號的時間將在1-3分鐘之內(nèi)。如果模塊在3分鐘內(nèi)未能鎖定，請檢查天線是否正確安裝。獲得GPS鎖定后，模塊將捕獲1PPS信號，并開始不斷調(diào)整高穩(wěn)定性晶體振蕩器的精度。通常，在捕獲1PPS信號后的5分鐘內(nèi)，相位偏移將不超過100ns。
9.時鐘模塊輸出消息的格式是什么？
時鐘模塊的輸出消息格式是波特率為9600的串行通信，由8個數(shù)據(jù)位和1個停止位組成。具有內(nèi)部GPS接收器的時鐘模塊的輸出消息遵循GPS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議NMEA-0813。 NMEA消息提供NMEA句子信息，包括代碼。
GPRMC，GPVTG，GPGGA，GPGSA，GPGLL，GPZDA。

時鐘模塊輸出時序信息
下圖顯示了IQD頻率產(chǎn)品時鐘模塊的主要輸出信號時序。當(dāng)模塊鎖定并同步到GPS信號時，輸出信號序列將如圖1.4所示
默認(rèn)情況下，GPS標(biāo)準(zhǔn)1PPS的脈沖寬度為100ms，而10MHz 1 PPS衍生信號的脈沖寬度也為100ms。 10MHz信號輸出上升沿與1PPS上升沿同步。

相應(yīng)的輸出消息內(nèi)容如圖1.5所示，輸出消息的時間跨度與協(xié)議內(nèi)容有關(guān)

串口TX的輸出消息
時鐘模塊具有多種不同的輸出數(shù)據(jù)信息格式，具體取決于所討論的型號。
IQCM-100和IQCM-200輸出一個數(shù)據(jù)字，其中包含諸如是否將本機(jī)鎖定到1PPS輸入，已鎖定多長時間，1PPS輸入與1PPS輸出之間的相位差之類的信息。此數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)UART格式輸出。
IQCM-300輸出與IQCM-100和IQCM-200相同的數(shù)據(jù)字。此外，它還以SGMII格式輸出處理時間協(xié)議（PTP）數(shù)據(jù)。
IQCM-110輸出標(biāo)準(zhǔn)GNSS數(shù)據(jù)字GPRMC，GPVTG，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPGLL，GPZDA，這些均以用于GNSS通信的標(biāo)準(zhǔn)NMEA格式輸出。詳細(xì)信息如下。
NMEA協(xié)議簡介：
NMEA協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會建立的一種通信格式，目的是在不同的GPS系統(tǒng)中建立統(tǒng)一的RTCM（航海無線電技術(shù)委員會）標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，GPS接收器通過串行端口將位置，速度和其他信息發(fā)送到PC，PDA或其他連接的設(shè)備。 NMEA-0183是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此GPS接收器應(yīng)符合要求，因?yàn)樗鞘褂米顝V泛的GPS接收器協(xié)議。
最常見的GPS接收器，GPS數(shù)據(jù)處理軟件和導(dǎo)航軟件均符合或至少兼容此協(xié)議。
NMEA協(xié)議格式規(guī)范如下：

幀頭：1個ASCII字符，'$'（0x24）
協(xié)議類別：2個ASCII字符，例如'GP'（0x47 0x50）
協(xié)議ID：3個ASCII字符，例如“ RMC”（0x52 0x4D 0x43）
數(shù)據(jù)：不定長度，以“，”分隔
校驗(yàn)和：2個ASCII字符表示1個字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)字，所有字符XOR運(yùn)算結(jié)果之間為'$'和'*'
幀結(jié)束：2個ASCII字符，代表Enter Wrap （0x0D 0x0A）
NMEA句子協(xié)議的通用標(biāo)準(zhǔn)

GPRMC
說明：推薦最小數(shù)據(jù)（RMC）推薦位置信息。
格式：$ GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，< 12> * hh
<1> UTC時間，hhmmss（時間）格式
<2>定位狀態(tài)，A =有效定位，V =無效位置
<3>緯度ddmm.mmmm（度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<4>緯度半球N（北半球）或S（南半球）
<5>經(jīng)度（dddmm.mmmm度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<6>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）
<7>地面速度（000.0?999.9，前面的0也將被發(fā)送）
<8>地面走向（000.0?359.9度，以1為參考，前面的0也將被發(fā)送）。
<9> UTC日期，ddmmyy（DMY）格式
<10>磁偏角（000.0?180.0度），默認(rèn)不輸出
<11>磁偏角方向，E（東）或W（西），默認(rèn)不輸出
<12>模式指示（僅NMEA0183版本3輸出，A =自主定位，
D =差分，E =估計(jì)，N =數(shù)據(jù)無效）
GPVTG
說明：地面路線和地面速度（VTG）地面速度信息。
格式：$ GPVTG，<1>，T，<2>，M，<3>，N，<4>，K，<5> * hh
<1>指向北基準(zhǔn)面的地面路線
（000?359度，前面的0也將被發(fā)送）
<2>基準(zhǔn)面以磁北為參考
（000?359度，前面的0也將被發(fā)送）
<3>地面速度（000.0?999.9區(qū)間，前面的0也將被發(fā)送）
<4>地面速度（0000.0?1851.8 km / h，前面的0也將被發(fā)送）
<5>模式指示（僅NMEA0183版本3輸出，A =自主定位，
D =差分，E =估計(jì)，N =數(shù)據(jù)無效）

GPGGA
說明：全球定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)（GGA）GPS位置信息。
格式：$ GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，< 11>，<12> * hh
<1> UTC時間，hhmmss.ss（小時分鐘秒）格式
<2>緯度ddmm.mmmm（度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<3>緯度半球N（北半球）或S（南半球）
<4>經(jīng)度（dddmm.mmmm度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<5>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）
<6> GPS狀態(tài)：0 =未定位，1 =非差分定位，2 =差分定位，
6 =估算
<7>正在計(jì)算位置的衛(wèi)星數(shù)（00?12）
（前面的0也將被發(fā)送）
<8> HDOP水平稀釋精度（0.5?99.9）
<9>海拔（-9999.9?99999.9）
<10>地球橢球相對大地水準(zhǔn)面的高度
<11>差分時間（從最近的差分信號開始的秒數(shù)
收到，如果不是差分定位，則時間將為空）
<12>差分站ID號0000?1023（前面的0也將被傳送，
如果不是，則差分定位將為空）

GPGSA
說明：GPS DOP和活動衛(wèi)星（GSA）當(dāng)前的衛(wèi)星信息。
格式：$ GPGSA，<1>，<2>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，<3>，< 3>，<3>，<3>，<4>，<5>，<6> * hh
<1>型號M =手動，A =自動
<2>定位類型，1 =無定位，2 = 2D定位，3 = 3D定位
<3> PRN碼（PN碼），用于計(jì)算衛(wèi)星信號的位置（01?32，前面的0也將被發(fā)送）
<4> PDOP位置精度系數(shù)（0.5?99.9）
<5> HDOP水平稀釋精度（0.5?99.9）
<6> VDOP垂直稀釋精度（0.5?99.9）

GPGSV
說明：GPS衛(wèi)星可見（GSV）可見衛(wèi)星信息
格式：$ GPGSV，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，…<4>，<5>，<6>，<7> * hh
<1> GSV語句總數(shù)
<2>當(dāng)前GSV的數(shù)量
<3>可見衛(wèi)星總數(shù)（00?12，前面的0也將被發(fā)送）
<4> PRN碼（偽隨機(jī)噪聲碼（01?32），前面的0也將被發(fā)送）
<5>衛(wèi)星仰角（00?90度，前面的0也將被發(fā)送）
<6>衛(wèi)星方位角（000?359度，前面的0也將被發(fā)送）
<7>信噪比（00?99dB，空無到衛(wèi)星的軌道，前面的0也將被發(fā)送）
注意：<4>，<5>，<6>，<7>信息將根據(jù)每個衛(wèi)星的周期顯示，每個GSV語句最多可顯示4個衛(wèi)星信息。其他衛(wèi)星的信息將在NMEA0183句子的下一個序列中輸出。

GPGLL
說明：地理位置（GLL）位置的地理信息
格式：$ GPGLL，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7> * hh
<1>緯度ddmm.mmmm（度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<2>緯度半球N（北半球）或S（南半球）
<3>經(jīng)度（dddmm.mmmm度）格式（前面的0也將被發(fā)送）
<4>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）
<5> UTC時間，hhmmss（小時分鐘秒）格式
<6>定位狀態(tài)，A =有效定位，V =定位無效
<7>模式指示（A =自主定位，D =差分，E =估計(jì)，N =數(shù)據(jù)無效）

GPZDA
說明：時間和日期（ZDA）時間和日期
格式：$ GPZDA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6> * hh
<1> UTC時間，hhmmss（小時分鐘秒）格式
<2> UTC日期，日期，DD格式
<3> UTC日期，月份，毫米格式
<4> UTC日期，年份，yyyy格式
<5>本地時區(qū)小時（當(dāng)前不支持，固定為00）
<6>本地時區(qū)的分鐘數(shù)（當(dāng)前不支持，固定為00）
詞匯表：
每秒PPS脈沖
GPS全球定位系統(tǒng)
OCXO烤箱控制的晶體振蕩器
保持能力設(shè)備保持定時精度而無需GPS鎖定的能力
NMEA國家海洋電子協(xié)會
PTP精確時間協(xié)議（IEEE-1588）
SGMII串行千兆媒體獨(dú)立接口（物理層（PHY）和以太網(wǎng)媒體控制器（MAC）之間的協(xié)議連接）
SPI串行外圍設(shè)備接口（4線同步串行數(shù)據(jù)鏈路）
DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換
LTE長期演進(jìn)
UTC世界協(xié)調(diào)時間

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